大规模动态森林场景模拟技术的研究与实现

摘要

森林是自然场景的重要组成部分，森林场景的模拟在虚拟现实领域中占有重要地位，但由于森林场景中树木模型复杂、数量众多，且树木受风力作用后的动态效果涉及到复杂的物理力学系统，难以进行精确和实时模拟。这使得大规模动态森林场景的模拟一直以来都是虚拟自然景观领域的研究热点和难点之一。
　　本文在树木以及森林场景模拟已有研究成果的基础上，使用Cook-Torrance光照模型和预计算的半透明纹理增强了叶片的显示效果，并使用Euler-Bernoulli梁模型拟合导出的多项式结合偏移修正的方式，实现了枝干的快速形变计算。在此基础上，在GPU中实现了逐层次形变动画的计算，使用采样二维噪声贴图的方式实现了了枝干摆动以及叶片振动的模拟。
　　在处理大规模场景的绘制时，依据场景的特点，将视景体投影到水平面，运用四叉树结构实现了视景体内物体的快速剔除。使用结合替代物的混合渲染方式实现了树木的LOD绘制，在不影响最终显示效果的同时简化了远处场景的计算，提高了场景计算和显示的实时性。
　　在上述算法研究的基础上，本文在Visual Studio C++开发环境下，使用OpenGL以及GLSL语言设计实现了原型系统。实验果表明，该方法能很好地展现各个层次下树的动态效果，且达到了实时性的要求。论文工作成果对同类应用和研究具有一定的借鉴和参考价值。

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第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究目的、内容和意义

1.4 论文体系结构

第二章 树木的动态绘制

2.1 树木的静态绘制

2.2 树木的动画绘制

2.3 小结

第三章 大规模场景的优化

3.1 视景体剔除

3.2 细节层次

3.3 风速的计算

3.4 小结

第四章 原型系统的实现

4.1 原型系统的开发环境

4.2 原型系统的总体框架

4.3 原型系统的具体实现

4.4 实验结果

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 进一步工作的展望

参考文献

硕士期间公开发表的论文

致谢